帶式輸送機自1795年發(fā)明以來，如今已廣泛應用于電力、冶金、煤炭、化工、礦山、港口等行業(yè)。特別是第二次工業(yè)革命帶來了新材料、新技術的采用，使帶式輸送機的發(fā)展步入一個新紀元。輸送帶作為帶式輸送機的牽引和承載構件，既要承載輸送的物料、不斷受到沖擊和摩擦，又要借助輸送帶與驅動滾筒的摩擦力牽引輸送帶運動。輸送帶的造價是整個輸送機造價的主要構成部分，其強度是帶式輸送機的輸送距離和輸送能力的制約因素。同時，輸送帶在運行時易出現跑偏、打滑、撕帶等故障和現象。為此，研究和總結輸送帶結構進化歷程，并隨時隨地跟蹤其發(fā)展，對預測帶式輸送機的未來發(fā)展方向具有重要的指導作用。 下面運用TRIZ的技術進化理論分析了帶式輸送機輸送帶結構的進化過程，總結和歸納了其進化模式與進化路線，并對其發(fā)展和未來產品可能的輸送帶結構狀態(tài)進行了預測，為企業(yè)產品的創(chuàng)新和開發(fā)提供借鑒。
1 應用理論
1.1 TRIZ技術進化理論
起源于前蘇聯的TRIZ(發(fā)明問題解決理論)的技術系統進化理論是專門研究技術系統進化預測的一個重要分支。TRIZ創(chuàng)始人G.S.Altshuller及研究人員經過大量的專利分析，發(fā)現并確認了技術從結構上進化的趨勢，即技術進化模式與進化路線。這些模式與路線可引導設計者盡快發(fā)現新的核心技術。
技術進化理論的研究結果已有幾個版本，如：Savransky的技術進化理論(ET，EvolutionofTechnique)、FeyandRivin的技術進化引導理論(GTE，GuidedTechnologyEvolution)、Zusman等的直接進化理論(DE，DirectedEvolution)、Petrov的技術進化定律(Thelawofsystemevolution)，它們都是Altshuller的TRIZ傳統進化理論的發(fā)展，每個版本各具特色。
1.2 技術進化模式及進化路線
通過對DE的八種進化模式進行分析，結合Petrov的技術進化定律中的已有系統改進定律，從實用性的角度對技術進化按結構、時間、功能、可控性及理想化進行分類，總結出十種進化模式：精簡化，指系統由簡單到復雜、再由復雜到簡單的進化；微觀化，指系統由宏觀物體向微觀物體的進化；柔性化，指系統向動態(tài)性增加的方向進化；曲面化，指系統幾何形狀的進化；多維化，指系統向維數增加的方向進化；調和化，指系統向各部件和諧的方向進化；集成化，指系統向超系統方向進化；自動化，指系統向可控性增加的方向進化；智能化，指系統向減少人的介入方向進化；理想化，指系統向增加理想化水平的方向進化。
十種進化模式應用在系統已經存在并且需要改進的情況下，是技術系統發(fā)展的一般趨勢，在系統改進和創(chuàng)新設計上應用最廣，每種進化模式又包含著多條進化路線，如柔性化進化模式包含如下進化路線：動態(tài)性增加：剛性體→一個鉸接→兩個(多個)鉸接→彈性體→分子結構(液體、氣體)→場；改變穩(wěn)定度：靜態(tài)固定的系統→有多個固定狀態(tài)的系統→動態(tài)固定的系統→多變系統；移動性增強:固定的系統→可移動的系統→隨意移動的系統。
1.3 基于技術進化理論的產品進化研究過程模型
進化模式指明了產品改進或創(chuàng)新的方向，進化路線指出了產品結構進化的狀態(tài)序列。基于當前產品核心技術所處的狀態(tài)，按照進化路線，通過設計，可使產品移動到新的狀態(tài)。 應用技術進化理論首先要判斷選定產品或系統的技術進化模式，然后選擇進化路線，確定系統當前技術在進化路線上所處的狀態(tài)，以此預測新一代產品的結構特點，確定創(chuàng)新設想。研究過程模型如圖1。
圖1 基于技術進化理論的產品進化研究過程
2 帶式輸送機輸送帶結構的進化過程分析
以中國國家專利局的專利數據為檢索依據，檢索國內近30年來的帶式輸送機的相關專利321篇，其中與輸送帶機構 有關的專利56篇，發(fā)現帶式輸送機輸送帶機構發(fā)展經歷以下六個階段。
階段一：普通輸送帶帶式輸送機
普通輸送帶帶式輸送機的特點是輸送帶為平型，帶芯為帆布或尼龍帆布或鋼繩芯(圖2)。
圖2 普通輸送帶結構圖
階段二：花紋帶式輸送機(圖3)
花紋帶式輸送機是將光滑的平型輸送帶的表面在輸送帶的制造過程中增加花紋以減緩物料的下滑趨勢，由于結構的原因，花紋輸送帶宜輸送流動性好、不易粘結在輸送帶上的物料。
缺點：(1)所允許的輸送角是有限制的。(2)花紋的磨損比通用輸送帶表面要快的多。(3)在帶速較高的情況下，當花紋經過回程托滾時會產生振動，從而加速花紋的磨損， 降低托滾的使用壽命。(4)輸送帶的清掃要比普通的帶式輸送機困難的多。
圖3 花紋輸送帶
階段三：波狀擋邊帶式輸送機(圖4)
波狀擋邊帶式輸送機是一種特殊結構的帶式輸送機，這種結構的輸送機是專門為輸送大傾角物料所涉及的。輸送帶上有擋邊以增大物料的截面，傾斜角度增大時，一般在橫向設置擋板。擋邊帶有基帶，擋邊和隔板組成。基帶的外觀與普通帶相同，但它具有更大的橫向剛度。擋邊做成波狀是為了使輸送帶能繞過各種滾筒和凸、凹弧區(qū)段以滿足輸送線路的要求。波狀擋邊帶式輸送機是真正實現大傾角輸送物料的重要形式。
圖4 波狀擋邊帶式輸送機
缺點：(1)波狀擋邊輸送帶壽命偏低。(2)卸料不徹底和漏料問題。
階段四：管狀帶式輸送機(圖5)
圓管帶式輸送機是在槽形帶式輸送機基礎上發(fā)展起來的一類特種帶式輸送機。它是一種通過托輥組施加強制力將平型輸送帶導向成圓管狀，使輸送物料被密閉在 圓管內，從而在整個輸送線路中實現封閉輸送的設備。
圖5 管狀帶式輸送機
缺點：(1)材質和制造 要求相對較高。(2)由于在輸送機的運行中物料被圍包在圓管內，增大物料與輸送帶的擠壓力，因此輸送機的運行阻力系數要比通用帶式輸送機大。(3)與通用帶式輸送機相比，在帶速和帶寬相同的條件下輸送量小。(4)設計計算復雜。(5)從結構上來看，圓管帶式輸送機小會產生如同通用帶式輸送機的輸送帶跑偏問題，但是存在輸送帶的扭轉問題，嚴重時會使輸送帶的邊緣進入兩個托輥的間隙內，造成輸送帶的損壞。
階段五：袋式帶式輸送機(圖6)
袋式輸送機的輸送帶類似于一個口袋，這種結構有多種實現形式，但主要的原理都是用輸送帶包裹物料進行運輸，這樣加大了輸送帶對物料的積壓力，從而增大了物料的輸送角度，并且輸送帶可以對物料進行封閉運輸，減少了物料對環(huán)境的污染。這種結構還可以時間空間路線的彎曲，適合各種運輸路線。還可以根據不同的工礦，選擇相應的結構和驅動方式。
圖6 袋式帶式輸送機
階段六：壓帶式輸送機(圖7)
壓帶式帶輸送機它是用一條輔助帶對物料施加壓力.這種輸送機的主要優(yōu)點是:輸送物料的最大傾角可達90°，運行速度可達6m/s，輸送能力不隨傾角的變化而變化，可實現松散物料和有毒物料的密閉輸送，其主要缺點是結構復雜、輸送帶的磨損增大和能耗較大。
圖7 壓帶式輸送機
通過以上描述得出，帶式輸送機輸送帶機構發(fā)展經歷了普通輸送帶帶式輸送機、花紋帶式輸送機、波狀擋邊帶式輸送機、管狀帶式輸送機、袋式帶式輸送機、壓帶式輸送機等六個階段。在此基礎上，我們分析得出帶式輸送機輸送帶結構三條進化路線。
3 帶式輸送機輸送帶結構的進化路線描述
路線描述一：
選擇微觀化的一條進化路線：(圖8)
表面分割：平坦表面→表面上有許多突起→形成粗糙表面→活性的表面
圖8 輸送帶結構進化路線一
從微觀化的進化模式可以看出，輸送帶的結構從普通的平紋帶發(fā)展到花紋帶，以后又出現了波狀擋邊輸送帶，在進化路線中是一個反復的，這是正常的。目前花紋帶和波狀擋邊輸送帶都廣泛的應用于生產中。
路線描述二：
選擇曲面化的一條進化路線：(圖9)
面的幾何進化：平面→單曲面→雙曲面→復合曲面
從曲面化的進化模式可以看出，輸送帶的結構正向曲面化程度增加的方向發(fā)展。雖然都是應用普通帶或花紋帶，但 是通過改變支撐的方式，將輸送帶橫向進行彎曲，形成更為靈活的曲面，從而適應不同的工礦，實現空間彎曲，同時由于增加了物料和輸送帶之間的壓力，也增大了輸送傾角。
圖9 輸送帶結構進化路線二
路線描述三：
選擇多維化的一條進化路線：(圖10)
層數增加：單層排列→雙層排列→多層排列
從多維化的進化模式可以看出，輸送帶由單層向層數增加的方向發(fā)展。
圖10 輸送帶結構進化路線三
4 帶式輸送機輸送帶結構的改進方案
帶式輸送機的輸送帶是承載物料的主要部件，其原理是靠輸送帶和物料之間的摩擦來實現物料的輸送。因此，增大輸送帶和物料之間的摩擦，在輸送的過程中，使物料和輸送帶的表面保持相對靜止，是改進輸送帶結構的主要方向。
從微觀化的進化模式角度，按照表面分割的進化路線，輸送帶結構將向活性表面發(fā)展，預測隨著材料科學的發(fā)展，將出現一種活性的材料應用于輸送帶的制造，使輸送帶具有一定的吸附性，使輸送帶的摩擦力增大，結構得到簡化。
從曲面化的進化模式角度，按照進化路線二的描述，輸送帶的發(fā)展方向是在繼續(xù)改進雙曲面結構的同時，進一步研究復合形狀的曲面，使輸送帶的適應性增強。稱該方案為方案一。
方案一：復合曲面帶式輸送機(圖11)
圖11 復合曲面帶式輸送帶機構
采用復合曲面的結構主要的目的是為了增大物料的夾持能力，從而增大輸送傾角。這種結構類似于將帶式輸送機和花紋輸送帶相結合的結構，因此具有了兩者的優(yōu)點，既實現了大角度的提升，也可以完成平面的彎曲。
從多維化的進化模式角度，壓帶式輸送機這種雙層結構是目前的發(fā)展水平，下一步將向多層的帶式輸送機發(fā)展。稱該方案稱為方案二。
方案二：多層壓帶式輸送機(圖12)
多層壓帶式輸送機是在壓帶式輸送機的基礎上的發(fā)展。以三層壓帶式結構為例，最下層輸送帶為普通輸送帶，對輸送物料起到支撐輸送的作用；中間輸送帶的下部輸送帶與最底層輸送帶接觸，作為最底層輸送帶的壓帶，上半部分為支撐帶，起到支撐輸送物料的作用；最上層輸送帶的工作部分是下半部輸送帶，與中間輸送帶的上半部分相接觸，起到壓帶的作用。這種結構具有了壓帶式輸送機的特點，可以實現大角度的輸送，并且實現了兩部輸送機的輸送量，比單獨的兩部輸送機節(jié)省了空間，降低了制造成本。
圖12 多層壓帶式輸送帶機構
5 結論
在介紹TRIZ技術進化理論、技術進化模式與進化路線的基礎上，按照基于技術進化理論的產品進化研究過程對帶式輸送機輸送帶結構的進化進行了研究，將其發(fā)展過程分為六個階段，并對其進化路線進行了三種方式的描述。在此基礎上，對帶式輸送機未來產品可能的輸送帶結構狀態(tài)和改進方案進行了分析與預測，為企業(yè)產品的創(chuàng)新和開發(fā)提供了借鑒。
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